Cấu tạo chất ppsx

Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc PHN I: CU TO CHT CHNG I - CU TO NGUYÊN T I. M đu 1. Các ht c bn to thành nguyên t: * Nguyên t có: - Kích thc khong 1 0 A ( 10 -10 m). - Khi lng: 10 -23 kg. * Nguyên t gm: - Ht nhân ( đin tích +Z) gm: + Proton (p), m p =1,672. 10 -27 kg, tích đin dng + 1,602. 10 -19 C. + Notron(n), m n = 1,675. 10 -27 kg, không mang đin . Ht nhân ca các nguyên t đu bn (tr các nguyên t phóng x). - Electron(e) ,me = 9,1. 10 -31 kg , tích đin âm - 1,602. 10 -19 C. Trong bng h thng tun hoàn (HTTH), s TT nguyên t = đin tích ht nhân = s e. VD: Ca có s TT= 20 => Z=s e=20. 2. Thuyt lng t Ánh sáng là mt sóng đin t lan truyn trong chân không vi vn tc c = 3.10 8 m/s, đc đc trng bng bc sóng λ hay tn s dao đng: λ ν c = . Thuyt sóng ca ánh sáng gii thích đc nhng hin tng liên quan vi s truyn sóng nh giao thoa và nhiu x nhng không gii thích đc nhng d kin thc nghim v s hp th và s phát ra ánh sáng khi đi qua môi trng vt cht. Nm 1900, M.Planck đa ra gi thuyt: “ Nng lng ca ánh sáng không có tính cht liên tc mà bao gm tng lng riêng bit nh nht gi là lng t . Mt lng t ca ánh sáng (gi là phôtôn) có nng lng là: E=h ν Trong đó: E là nng lng ca photon ν : tn s bc x h = 6,626 .10 -34 J.s - hng s Planck. Nm 1905, Anhstanh đã da vào thuyt lng t đã gii thích tha đáng hin tng quang đin. Bn cht ca hin tng quang đin là các kim loi kim trong chân không khi b, khi b chiu sáng s phát ra các electron; nng lng ca các electron đó không ph thuc vào cng đ ca ánh sáng chiu vào mà ph thuc vào tn s ánh sáng. Anhstanh cho rng khi đc chiu ti b mt kim loi, mi photon vi nng lng h ν s truyn nng lng cho kim loi. Mt phn nng lng E 0 đc dùng đ làm bt electron ra khi nguyên t kim loi và phn còn li s tr thành đng nng 2 2 1 mv ca electron: Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc 2 0 2 1 mvEh += ν Nhng bc x có tn s bé hn tn s gii hn h E 0 0 = ν s không gây ra hin tng quang đin. S dng công thc trên ta có th tính đc vn tc ca electron bt ra trong hin tng quang đin. 3. Các mô hình nguyên t: * Mô hình nguyên t Rutherford: Mi nguyên t có mt ht nhân mang đin tích dng và các e quay xung quanh. * Mô hình nguyên t Bohr: - Trong nguyên t mi electron quay xung quanh nhân ch theo nhng qu đo tròn đng tâm có bán kính xác đnh. - Mi qu đo ng vi m t mc nng lng xác đnh ca electron. Qu đo gn nhân nht ng vi mc nng lng thp nht, qu đo càng xa nhân ng vi mc nng lng càng cao. Nng lng ca electron trong nguyên t H 2 đc xác đnh nh sau: 22 4 2 0 n n 1 . h me . 8  1 E −= Trong đó h = 6,626 .10 -34 J.s - hng s Planck m - khi lng ca e ε o - hng s đin môi trong chân không ε o = 8,854.10 -12 C 2 /Jm n - là các s nguyên dng nhn các giá tr 1,2,3 ,∝, - Khi e chuyn t qu đo này sang qu đo khác thì xy ra s hp th hoc gii phóng nng lng. Khi e chuyn t qu đo có mc nng lng thp sang mc nng lng cao hn thì nó hp th nng lng. Khi electron chuyn t mt mc nng lng cao sang mc nng lng thp hn thì x y ra s phát x nng lng. Nng lng ca bc x hp th hoc gii phóng là: ΔE = E n’ - E n = hν =  c h. * Kt qu và hn ch ca thuyt Bohr Ü Kt qu : - Gii thích đc quang ph vch ca nguyên t hyđro - Tính đc bán kính ca nguyên t hydro  trng thái c bn a= 0,529 A 0 Ü Hn ch - Không gii thích đc các vch quang ph ca các nguyên t phc tp Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc - Không gii thích đc s tách các vch quang ph di tác dng ca đin trng, t trng - Gi thuyt có tính đc đoán. * Các mô hình trên đu không gii thích đc 1 s vn đ thc nghim đt ra. Nguyên nhân là do: - Không đ cp đn tính cht sóng ca electron - Do đó coi qu đo chuyn đng ca electron trong nguyên t là qu đo tròn có bán kính xác đnh. II. Quan đim hin đi v cu to nguyên t: 1. Lng tính sóng ht ca các ht vi mô Nm 1924 nhà vt lý hc ngi Pháp Louis De Broglie đã đa ra gi thuyt: mi ht vt cht chuyn đng đu có th coi là quá trình sóng đc đc trng bng bc sóng λ và tuân theo h thc : mv h = λ Trong đó: m - Khi lng ca ht, kg v - Vn tc chuyn đng ca ht , m/s h - Hng s Planck, h= 6,63.10 -34 J.s - i vi ht v mô: m khá ln (h =const) å λ khá nh -> tính cht sóng có th b qua. - i vi ht vi mô : m nh (h =const) å λ khá khá ln -> không th b qua tính cht sóng. Ví d 1: Mt ht có khi lng m = 0,3 kg, vn tc chuyn đng V= 30m/s thì λ ca ht là? Gii: áp dng h thc Louis De Broglie m 34 34 107360 3030 10636 − − === ., ., ., mv h λ λ ca ht vô cùng nh nên b qua tính cht sóng ca ht. 2. Nguyên lý bt đnh Heisenberg * Phát biu nguyên lý Không th xác đnh đng thi chính xác c to đ và vn tc ca ht, do đó không th v đc chính xác qu đo chuyn đng ca ht. Δx. Δvx ≥ m h ây là h thc bt đnh Heisenberg Trong đó Δx-  bt đnh (sai s) v to đ theo phng x Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc Δvx-  bt đnh (sai s) v vn tc theo phng x Nu Δx càng nh thì Δvx càng ln, ngha đ bt đnh v to đ càng nh thì đ bt đnh v vn tc càng ln. T đây rút ra mt kt lun quan trng là không th dùng c hc c đin đ mô t mt cách chính xác qu đo chuyn đng ca ht vi mô nh thuyt ca Bohr mà phi s dng mt môn khoa hc mi là: c hc lng t. III. Khái nim v c hc lng t 1.Hàm sóng: Trng thái chuyn đng ca e trong nguyên t đc mô t bng mt hàm ca to đ x,y,z và thi gian t, đc gi là hàm sóng ψ(x,y,z,t). Trong trng hp t không đi thì ψ không ph thuc vào thi gian, đc gi là trng thái dng ca electron. Khi đó ψ ch ph thuc vào 3 bin x,y,z. * Tính cht ca hàm sóng: - Có th là âm, dng hay là 1 hàm phc. - ⏐ψ⏐ 2 mt đ xác sut tìm thy electron ti 1 đim trong phn không gian xung quanh ht nhân. - ⏐ψ ⏐ 2 dv mô t xác sut tìm thy electron  thi đim t trong yu t th tích dv bao quanh đim có to đ x,y,z Vì electron có mt trong không gian vô hn nên xác sut tìm thy nó bng 1: 1dv 2 =∫ +∞ ∞− å Là điu kin chun hóa hàm sóng. 2. Phng trình Schrodinger:  tìm ra hàm sóng ta phi gii phng trình sóng, còn gi là phng trình Schrodinger. ó là phng trình vi phân ca hàm sóng ψ đi vi ht vi mô (eleclectron) chuyn đng trong trng th V: E V m8 h 2 2 = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +− Trong dó: 2 2 2 2 2 2 zyx  ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ = - Toán t Laplace V- Là th nng ca ht E - Nng lng toàn phn ca ht Có th vit di dng tng quát hn: HΨ=EΨ, trong đó H là toán t Hamilton ca h nghiên cu. Gii phng trình sóng å tìm đc E, ψ å t đó bit đc chuyn đng ca e. Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc 3. Obitan nguyên t và mây electron. - Mi giá tr nghim ψ gi là 1 obitan nguyên t, kí hiu là AO. Mây e đc quy c là min không gian gn ht nhân nguyên t, trong đó xác sut có mt electron khong 90%. Mi đám mây electron đc xác đnh bng mt b mt gii hn gm nhng đim có cùng mt đ xác sut. ám mây s là hình cu. ám mây p có dng hình qu t đôi, đám mây d có dng hình hoa bn cánh. IV. H 1 e ( nguyên t H và ion tng t). 1. Phng trình sóng: - H gm 1 e và 1 ht nhân đin tích +Ze: Th nng ca h: V= r Ze 0 2 4 πε − Trong đó r: khong cách gia ht nhân và e. 0 ε : hng s đin môi ca chân không. ö th nng V ch thuc vào r => trng to ra là trng xuyên tâm ( trng có đi xng tâm) gi là trng Culông. ö Phng trình Schrodinger có dng:  4   0 E Ze - m8 h 2 2 2 = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − r πε -  gii phng trình sóng trên å đa v h ta đ cu: ψ(x,y,z) å ψ(r,θ,ϕ) x y z s p p z y x p x y z dx 2 -y 2 z y x z y x dxz z y x dxy z y x dyz Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc - Li gii phng trình sóng Schrodinger s thu đc là nng lng toàn phn ca e (E), hàm sóng mô t trng thái chuyn đng ca e (ψ) và khi gii s xut hin 3 s lng t n, l ,m. 2. Nng lng: * Kt qu gii phng trình sóng thu đc nng lng toàn phn ca e: 2 2 n n z 13,6.E −= (eV) n: có giá tr nguyên dng, gi là s lng t chính. * Nhn xét: - Ee ph thuc vào n + n càng ln -> Ee càng ln và ngc li. + n gián đon å Ee gián đon -> nng lng ca e trong nguyên t đc phân thành tng mc, mi mc ng vi 1 giá tr ca n. + Khi n=1 å E 1 min -> mc E 1 gi là trng thái c bn. Vy trng thái c bn là trng thái có mc nng lng thp nht. 3. Hàm sóng: ψ(x,y,z) = ψ(r,θ,ϕ) - Khi gii phng trình sóng, dn đn vic đt hàm sóng ψ(r,θ,ϕ) thành tích ca hai hàm: ψ(r,θ,ϕ)= Rn ,l (r).Ym ,l (θ,ϕ) Trong đó: R(r) - Là hàm xuyên tâm ph thuc vào hai tham s n, l Y (θ,ϕ) - Là hàm góc ph thuc vào hai tham s là l, m. l - là s lng t ph : l = 0,1,2, ,n-1 -> ng vi 1 giá tr ca n có n giá tr ca l. m - là s lng t t : m = 0, ±1,±2, ,±l -> ng vi 1 giá tr ca l có 2l + 1 giá tr ca m. - Nh vy hàm sóng ψ thu đc ph thuc vào 3 s lng t là n,l,m : ψ n,l,m hay nói cách khác: Mt hàm sóng (1AO) đc đc trng bng 3 s lng t n,l,m. * Nhn xét: - Các e có cùng 1 mc nng lng có th có n trng thái khác nhau, mi trng thái đc đc trng bi s lng t l. - ng vi mi 1 trng thái có th có 2l+1 cách đnh hng khác nhau trong không gian. VD: n=1 ( mc nng lng K) -> l =0, m=0 => ψ n,l,m = ψ 100 ψ 100 =1AO => mc nng lng K có 1 AO. n=2 (mc L) å l =0,1; m=0, ± 1. Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc n =2, l =0 => ψ 200 =1AO. n =2, l =1 => m=0 => ψ 210 =1AO. m=1 => ψ 211 =1AO. m=-1 => ψ 21-1 =1AO. Mc L có 4 AO Vy: Mt mc nng lng n có n 2 hàm sóng ψ => có n 2 AO. Mt giá tr ca l có (2l+1) hàm sóng -> có (2l+1) AO 4. Gii thiu mt s mây e Hình dáng ca các mây e gn ging hình dáng ca các AO tng ng nhng ch khác: khi biu din hàm sóng thì có du (+) hay (-) còn mây e thì không có du. Giá tr ca l: 0 1 2 3 Kí hiu: s p d f Vy vi n≥ 1 => có ψ ns = AO ns => mây ns. n≥ 2 => có ψ np = AO np => mây np. m=0 (z) -> z np Ψ = AO npz => mây npz m=1 (x) -> x np Ψ = AO npx=> mây npx m=-1 (y) -> y np Ψ = AO npy => mây npy. ö Mây np gm 3 đám mây ng vi 3 giá tr ca ψ. a. Mây ns - ψ ns có tính cht đi xng cu, không ph thuc vào ϕ θ , . - Mây s: Mt đ mây e phân b đng hng và là 1 khi cu. z x y M©y s z x y ns Ψ AO b. Mây p - Mi hàm ψ ns là 2 mt cu đi xng nhau qua gc ta đ có phn (+) và phn (-) theo chiu ca trc ta đ. - Mi mây p: Có dng hình qu t, cc đi ca mây e phân b dc theo trc ta đ. 5. Chuyn đng riêng ca e trong nguyên t: Chuyn đng toàn b ca e trong nguyên t gm 2 chuyn đng: Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc - Chuyn đng xung quanh nhân ( chuyn đng obitan) đc đc trng bng 3 s lng t n,l,m. - Chuyn đng riêng(chuyn đng t quay) đc đc trng bng s lng t t spin ms; ms ch nhn 2 giá tr là +1/2 hoc –1/2. * Vy chuyn đng ca toàn b e trong nguyên t đc đc trng bi 4 s lng t n,l,m và ms trong đó: - n đc trng cho kích th c mây e. - l đc trng cho hình dáng mây e. - m đc trng cho hng mây e. V. H nhiu e H nhiu e -> e kho sát chu tác dng ca: - Lc hút ht nhân. - Lc đy ca các e còn li. ö trng th to ra không xuyên tâm, nng lng ca e trong trng này không nhng ph thuc vào n mà còn ph thuc vào l.  kho sát h này -> phi đa h v h 1e -> dùng phng pháp gn đúng. 1. Phng pháp gn đúng 1e. Khái nim đin tích ht nhân hiu dng * Phng pháp gn đúng 1e: - Coi e kho sát chuyn đng trong 1 trng Z’ do ht nhân và tt c các e còn li gây ra. Z’ đc gi là đin tích ht nhân hiu dng. - Z’ = Z- A, A là hng s chn ca các e còn li. - Coi các e còn li chn bt nh hng ht nhân 1 đi lng A - Coi trng to ra do Z’ là trng xuyên tâm. * Kt qu ca bài toán 1 e có th áp dng cho bài toán nhiu e ( bng cách s dng phng pháp gn đúng trên): Các biu thc tính E, ψ đu ging nhau, ch khác ch nào có Z thì đc thay th bng Z’. 2. áp dng kt qu bài toán 1e cho h nhiu e. a. Nng lng: - H 1 e : 2 2 n n Z 13,6.E −= => E=f(n). -H nhiu e: 2 2 ln, n Z' 13,6.E −= => E=f(n,Z’) =f(Z,n,l). Nhn xét: - Vy trong h 1 e => E ch ph thuc vào s lng t chính n, còn trong h nhiu e thì E ph thuc vào n và Z’ (hoc Z, n và l). - Trong h nhiu e, mt mc nng lng b tách thành n phân mc, mi phân mc đc trng bi 1 giá tr ca l. Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc l đc trng cho lc đy ca các e còn li, l càng ln En ,l càng ln. - Trong h nhiu e, nng lng có hin tng suy bin. b.Hàm sóng Hình dáng AO và mây e hoàn toàn không đi (nh trong h 1e) nhng mt đ phân b e theo khong cách ti nhân là khác nhau do Z ≠ Z’. 3. ý ngha ca 4 s lng t: *Khái nim lp, phân lp e: - Lp e: Trong nguyên t nhiu electron, nhng electron có cùng giá tr s lng t chính to thành mt lp. Các lp đc ký hiu nh sau: n 1 2 3 4 5 6 7 Lp K L M N O P Q n càng ln thì lp electron càng xa nhân và electron có nng lng càng cao. - Phân lp e: Trong cùng mt lp các electron đc chia thành n phân lp, mi phân lp trong cùng mt lp đc đc trng bng mt giá tr ca l.  ký hiu các phân lp dùng các ký hiu sau đây: l 0 1 2 3 Ký hiu s p d f  ch phân lp electron thuc lp nào vit thêm h s có giá tr bng s lng t chính n ca lp đó  tr c ký hiu phân lp. Ví d: Lp K ng vi n = 1 ch gm có mt phân lp đc đc trng bi l = 0 và n=1, 1s Lp L ng vi n=2 gm có hai phân lp đc đc trng ⎩ ⎨ ⎧ →= →= 2p1l 2s0l Lp M ng vi n=3 gm có 3 phân lp đc đc trng ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ →= →= →= 3d2l 3p1l 3s0l • ý ngha ca 4 s lng t: a. S lng t chính n. - Xác đnh lp e trong nguyên t VD: n =1 -> ng vi lp K n=2-> ng vi lp L - Xác đnh kích thc ca mây e: n càng ln -> kích thc mây e càng ln và mt đ mây e càng loãng. Bài ging môn C s lý thuyt Hoá hc - i vi nguyên t H hay ion 1 e, n xác đnh mc nng lng ca e trong nguyên t hoc ion: 2 2 n n Z 13,6.E −= - i vi nguyên t nhiu e -> Ee =f(n,l) å n ch xác đnh mc nng lng trung bình ca các e trong cùng 1 lp: 2 2 ln, n Z' 13,6.E −= b. S lng t ph l - xác đnh hình dáng ca đám mây e Mây s hình cu, mây p - qu t đôi, mây d dng phc tp. c. S lng t t: - m xác đnh s đnh hng ca AO hay các mây electron trong không gian xung quanh ht nhân. Ví d: ng vi l=0 (mây s) => m=0; mây s ch có 1 s đnh hng xung quanh ht nhân (mây s có hình cu). l=1 (mây p) => ma= -1, 0 ,+1 mây p có 3 s đnh hng khác nhau xung quanh ht nhân. d. S lng t t spin ms: đc trng cho s chuyn đng riêng ca e. VI. S phân b e trong nguyên t nhiu e. 1. Nguyên lý ngoi tr Pauli Trong mt nguyên t không th tn ti hai electron có cùng giá tr ca 4 s lng t. VD: Lp K; n=1 => l=0 => m=0=> ms =+ 2 1 và ms =- 2 1 ö lp K có nhiu nht 2 e: e th nht có gía tr n =1, l=0, m =0 và ms =+ 2 1 ; e th 2 có giá tr n =1, l=0, m =0 và ms=- 2 1 H qu: Da vào nguyên lý pauli có th tính đc s electron ti đa trong mt ô lng t, mt phân lp hay mt lp. + S electron ti đa trong mt ô lng t là 2e (vì trong mt ô lng t các e có 3 s lng t ging nhau, s lng t th t ms phi khác nhau, nhn giá tr là +1/2 và -1/2) + S electron ti đa trong mt phân lp là 2(2l+1). Phân lp s p d f S ô lng t 1 3 5 7 S e ti đa 2 6 10 14 VD: Tính s e ti đa  phân lp np ( n có giá tr bt kì). VD n =2, còn p ng vi l=1. T đó: n=2 -> l=1 => m=-1 => ms=+1/2 và ms=-1/2 => ng vi AO 2py có nhiu nht 2e. n=2 -> l=1 => m=0 => ms=+1/2 và ms=-1/2 => ng vi AO 2pz có nhiu nht 2e.